1 Introdução
3.5 A formação da imagem digital infravermelho
Uma imagem pode ser considerada como uma função espacial bidimensional, com argumentos em duas coordenadas, fornecendo valores de amplitude. A amplitude define um nível de cinza correspondente a cada par de coordenadas, formando assim um arranjo em duas dimensões. A imagem digital é usualmente obtida através de processos de digitalização tanto em termos de coordenadas quanto nos valores de amplitude. A digitalização em termos de amplitude é denominada quantização em nível-de-cinza. A Figura 31 mostra a relação entre valor numérico de 256 níveis e o respectivo nível-de-cinza.
Figura 31: Escala de cinza (MOURA, 2006).
A digitalização em coordenadas espaciais é denominada amostragem da imagem e é determinada pela dimensão do arranjo e a resolução espacial. Com relação à quantização, uma possibilidade é a conversão do sinal de amplitude, naturalmente analógico, em sinal digital através de conversor analógico e digital.
BATISTA (2005) mostra que o detalhe discernível em uma imagem é dependente da resolução espacial do sensor e se refere ao menor tamanho de um objeto possível de ser detectado.
A resolução radiométrica descreve o conteúdo real de informação em uma imagem, ela descreve sua habilidade em separar diferenças muito pequenas de energia, ou seja, quanto melhor a resolução radiométrica de um sensor mais sensível ele será para pequenas diferenças de energia refletida ou emitida.
Em resumo, considera-se uma imagem digital como sendo uma matriz retangular, cujos índices de linhas e colunas identificam um ponto da imagem e o valor do elemento da matriz correspondente a estes índices representa o seu nível-de-cinza. O elemento da matriz assim definida é denominado pixel. Desta forma a imagem encontra-se apropriada para o processamento em computador (GONZALES & WINTZ, 1992).
No contexto desta dissertação, decidiu-se enfocar o processo de formação de imagens térmicas. Estas são obtidas por câmeras equipadas com sensores que detectam comprimentos de onda na faixa do infravermelho, enfatizando aquelas que utilizam microbolômetros como elementos detector.
A utilização de microbolômetro como elemento detector tem se tornado mais popular com o desenvolvimento tecnológico, já que opera em temperatura ambiente, reduzindo assim o custo da câmera e sua manutenção. Durante a exposição à superfície de interesse, cada elemento detector gera um sinal que é relacionado com o fluxo radiante total por unidade de área que incide sobre si (LUPO & BALERAK, 2000).
Este nível de sinal sofre ainda o efeito da eficiência quântica detectiva, que é definida como a transferência da relação sinal-ruído e que depende da área do elemento detector e sua eficiência de conversão (LUPO & BALERAK, 2000). Quando a energia radiante é focalizada sobre o microbolômetro e é absorvida, a temperatura do elemento detector aumenta e altera sua resistência. O elemento e o filme de absorção são isolados por uma cavidade do substrato para maximizar a mudança de temperatura e para minimizar a dispersão térmica. Isto possibilita a detecção de pequenas quantidades de potência radiante.
Observa-se que, em princípio, o valor de resistência do elemento detector fornece apenas uma informação relativa da temperatura, já que o que se tem é que uma ‘variação da relação entre a resistência elétrica com a potência dissipada’ é proporcional à ‘variação da resistência com a temperatura’, sendo o fator de proporcionalidade a impedância térmica. Portanto, para se obter uma medida absoluta de temperatura é necessária uma calibração periódica com uma fonte padrão para uma temperatura conhecida. Com este procedimento é possível, em uma câmera típica, obter medição de temperatura com precisão de aproximadamente 2% (LEWIS
et al., 1990). Vale ainda esclarecer que a resistência do elemento detector varia de forma
não-linear com a temperatura. Ressalta-se também que a temperatura medida depende da distância da superfície de interesse até a câmera e, assim, de sua ampliação; a área da superfície que é focalizada sobre um elemento detector determina o fluxo total radiante sobre ele e o nível do sinal absorvido é interpretado como uma média de temperatura na sua superfície. Outra observação é que quando são requeridas observações quantitativas de imagens, é importante
que as imagens sejam tomadas sempre com a mesma distância da câmera de modo que o objeto cubra o mesmo número de elementos detectores (JONES & PLASSMANN, 2002). A formação da imagem térmica de infravermelho é assim construída através da construção de um arranjo de elementos detectores dispostos adequadamente em um plano focal. Como resultado, cada elemento detector do arranjo ficará associado a um pixel da imagem formada. Com relação à amostragem da imagem, pode-se citar que, atualmente, têm-se adotado arranjos de microbolômetros em matrizes 160×120, 320×240 ou 640×480. Com relação à quantização, o pixel é digitalizado em 8, 12 ou 14 bits o que corresponde à quantização em 256, 4.096 ou 16.384 níveis, respectivamente (JONES & PLASSMANN, 2002).
Como a imagem digital é uma aproximação da imagem contínua, um dado importante é a resolução (grau de discernimento de detalhes) fornecida pela imagem digital. Quanto maior é o grau de amostragem e de quantização, melhor a aproximação da imagem original. A limitação encontra-se nos detalhes construtivos da câmera, na memória requerida e no processamento digital.
A análise da imagem infravermelha exige um entendimento do nível-de-cinza, que representa uma medida da resposta do detector de infravermelho à potência radiante infravermelho que é absorvida e integrada por todos os ângulos. Esta resposta é não linear e depende dos comprimentos de onda passados pelos filtros da câmera e também da temperatura ambiente. A potência radiante que recai sobre o elemento detector é uma função complexa da radiância da superfície do objeto e do ângulo sólido que depende do sistema ótico da câmera. Como o nível-de-cinza é obtido mais por uma integração do que por média, os arranjos de elementos sensores que incorporam um tempo de integração ajustável que permite também ajustar a faixa de temperatura (ou seja, estabelecendo-se o tempo de captura ajusta-se a faixa de temperatura). Este ajuste é efetuado eletronicamente na câmera, embora também possa ser efetuado com uso de filtros. Quando a câmera e o sistema ótico estiverem calibrados para uma faixa específica de temperatura, os valores são então mapeados a temperaturas de tal modo que os níveis-de-cinza podem ser interpretados linearmente em termo da temperatura da fonte, com o nível zero correspondendo a menor temperatura da faixa e o nível superior ao topo da faixa.
Quanto às técnicas de processamento digital de imagens, cabe ponderar as diferenças entre processamento para as imagens obtidas com radiação infravermelha e daquelas obtidas por luz visível.
Para a imagem obtida por luz visível, esta é produzida pela radiação que é refletida pela superfície iluminada, fornecendo assim a informação sobre o objeto. Logo, neste caso, a fonte de luz não aparece normalmente na imagem (exceto, talvez como uma imagem virtual destorcida na forma de uma reflexão especular). Nesta situação, o controle da iluminação externa, por exemplo, pode ter um peso importante para melhorar o desempenho computacional do sistema de processamento de imagem.
Para a imagem térmica infravermelho não existe nenhuma fonte externa de iluminação infravermelha. A energia é dada pela radiação térmica natural gerada pelo objeto. Como mencionado anteriormente, esta radiação é gerada de acordo com a lei de Planck para radiação de corpo negro (JONES & PLASSMANN, 2002).
O processamento de imagens é bastante dependente do problema a ser resolvido. Neste sentido, fases de pré-processamento podem ter um peso importante quando se procura aumentar o desempenho do sistema. Em princípio, as câmeras de infravermelho incluem
hardware e software de pré-processamento digital de imagem. Presume-se que as câmeras
efetuem pré-processamento de imagem objetivando reduzir ruídos na imagem.
Outros distúrbios relativos ao arranjo no plano focal é a resposta variável dos elementos detectores devido à falta de uniformidade no processo de fabricação. Ainda com relação ao pré-processamento digital de imagens térmicas nas câmeras, um procedimento seria adotar limiares de amplitude do sinal gerado pelo sensor, de modo que todos dos níveis-de-cinza abaixo de certo limiar são tomados como zero enquanto que aqueles acima do outro limiar são tomados como o valor superior do nível-de-cinza. Outro procedimento, neste mesmo sentido, é atribuir um limiar de modo que para os pixels correspondentes ao fundo (usualmente com uma temperatura mais baixa que o objeto de interesse) teriam os níveis-de-cinza tomados como zero enquanto que os outros pixels reteriam o valor original dos níveis-de-cinza (JONES & PLASSMANN, 2002).
As imagens digitalizadas disponibilizadas pelas câmeras de infravermelho, podem ainda receber melhoras adicionais por meio de processamento digital subseqüente, de acordo com técnicas específicas nos diversos campos de processamento.
O processamento da imagem digitalizada envolve principalmente os seguintes campos de processamento: Realce, Restauração, Segmentação e Descrição. As técnicas de realce procuram destacar informações presentes em imagens, inspiradas em características do sistema visual humano. Entre estas técnicas incluem-se modificação de histograma, suavização, realce de bordas e pseudocolorização (ver Anexo E). No contexto da formação da imagem poderia ainda incluir-se o campo de codificação da imagem, que consiste em comprimi-la objetivando diminuir espaço de armazenamento.